电力通信传输故障排查实训系统设计

赵衍恒，李荣凯，王文明，安丰彩，张 凯

（国家电网有限公司技术学院分公司 ，山东 济南 250002）

0 引言

电力通信技术作为智能电网的重要组成部分，是其运行的关键技术［1］，通信系统的性能对整个电网的运营产生直接的影响［2-4］。 在“十三五”规划纲要中明确指出要加强智能电网建设， 提高电网与发电侧、需求侧交互响应能力［5-7］。 电力通信为整个电力系统提供安全、可靠的通信系统和通信方式，确保整个电力系统稳定、有效的运行［8-9］，在电力生产阶段，电力通信可管理电力生产， 确保整个系统的集中管理和统一调度；在电力输送阶段，电力通信可降低电能输送线损率，提高通信质量，降低发电成本［10］。 对于电力通信专业学生和电力系统通信运维岗位员工教学培训而言， 熟悉电力通信系统工作流程原理与故障排查方法， 深入研究电力通信故障产生的原因及维护系统的稳健运行非常重要［11-12］。 我国电力通信行业的培训针对通信运维人员的实操环境和实训设施相对较少， 现场作业人员对智能电网中通信系统的整体概念模糊，不了解通信系统中数据的来源、传输方式、 传输过程及故障产生和排查方法的现状明显［13-14］，因此，亟需提升电力通信运维人员综合素质和实操技能水平， 特别是电力通信系统故障排查能力。

目前电力通信传输专业的实训环境主要使用现场实际在用设备搭建，虽然能很好地还原现场、模拟真实环境，但是实际设备搭建环境费用昂贵，培训成本过高，同时对于复杂故障模拟困难，难以同时开展大范围的培训以满足通信运维人员的需求［15］。 为满足科研、职工培训需求，解决无高层次技能人员实训环境、无故障排查作业实训项目的弊端，本文基于电力通信数据传输原理［16-17］、故障告警产生原理［18-19］及电力通信系统现场故障排查工作流程， 设计实现了电力通信传输故障排查作业实训系统。 通过收集整理电力行业通信传输系统中各种故障案例信息，将案例信息进行分级，形成故障信息库，根据实际的工作场所建立一个实训作业环境场景， 对故障库中信息进行现场还原， 通过模拟现场案例和典型故障处理培训，切实提高通信运维人员技能水平，满足未来智能电网与泛在电力物联网［20］对通信运维人员的技能需求。

1 实训系统的整体设计

电力通信传输故障排查作业实训系统由“三库”“两中心”和“一平台”组成，分别是：模型库、算法库、故障信息库、数据中心、计算中心和故障排查作业实训平台，系统结构如图1 所示。

图1 电力通信传输故障排查作业实训系统结构

1.1 “三库”模块设计

“三库”模块，包括建立模型库、算法库和故障信息库， 为故障排查作业实训平台及计算中心模块提供所需的模型、算法、接口和故障信息。

1）模型库，包括机房、电力通信电源、电力通信设备（SDH 设备、PCM 设备）及常用板卡、仪器仪表（OTDR、2M 误码仪）、 数字配线架、 光纤配线架、光纤、光缆、双绞线、电源线、2M 线、光模块、法兰、光衰等的数字仿真模型及VR 仿真模型定义。 除此之外，可实现用户根据自己需要自动添加模型功能。

2）算法库，为电力通信传输系统故障排查作业实训平台及计算中心提供算法及接口， 包括模型对象的移动、缩放、旋转，数据传输过程中的信号复用、解复用，故障排查过程的正确性验证算法等，并被故障排查作业实训平台和计算中心调用。

3）故障信息库，收集整理了我国电力行业通信传输系统中的各种故障信息，形成故障信息库，并通过电力通信传输至故障排查作业实训平台， 包括光缆线路故障、SDH 设备故障、SDH 网管业务配置故障、通信系统辅助设备故障的产生时间、地点、原因、关联设备和解决流程等信息。其中，SDH 设备故障主要为电源故障和SDH 设备板卡故障， 而SDH 设备板卡故障包括2M 业务接口板、2M 业务处理板、以太网接口板、以太网业务处理板、时钟交叉板、主控板故障等。 该故障信息库被电力通信传输系统故障排查作业实训平台及计算中心调用。

1.2 数据中心及计算中心模块设计

数据中心模块， 接收并存储客户端上传的模型配置参数、搭建模拟环境的配置参数、故障配置信息及故障排除过程参数信息。

计算中心模块，被配置为调用算法库中组帧、数据解析、故障生成、故障排除等算法，以及数据中心模块中的数据传输模式、配置参数等，进行通信传输的数据组帧及解析计算、 通信故障事件的生成及排除计算，然后通过模拟通信设备底层数据传输模式，将模拟计算结果传输至故障排查作业实训平台。

计算中心模块通过模拟实际SDH 设备的通信数据传输方式， 依据国际统一ITU-T G.707 标准的帧结构组帧方式对传输的数据进行动态组帧， 从而实现对通信设备故障的底层解析，方便培训人员从底层的数据传输数据帧对通信设备故障原理进行理解，从而达到更直接对通信故障进行分析排查的作用。

1.3 故障排查作业实训平台设计

故障排查作业实训平台从数据中心模块获取配置信息，调用数据库中模型，搭建通信设备模拟实训操作环境， 调用算法库中算法对模拟实训操作环境进行编辑和调整， 将生成的环境信息和参数存储到数据中心模块；配置模拟实训操作环境中故障信息，生成VR 操作环境，进行故障排查作业。

故障排查作业实训平台建立模拟实训操作环境，根据用户需求可实现动态配置，模型库中已经建好实训环境所需各个实物的模型， 如机房、空调、灯、各种工具、多种类型通信设备机柜、主流厂家通信设备机架、主流厂家设备板卡、光纤、数字配线架、光纤配线架、法兰等等，在故障排查作业实训平台的人机交互界面中， 为用户提供模块选择接口， 用户可根据自己的需要搭建自己定制化的实训环境。

2 故障排查作业实训平台功能设计

故障排查作业实训平台功能设计， 包括配置操作模块、VR 操作模块、安全模块、通信模块和考核模块，结构框图如图2 所示。

1）配置操作模块，为调用数据库中模型，搭建通信设备模拟实训操作环境， 配置模拟实训操作环境中出现的故障信息， 进行业务配置故障排查和告警查询操作，包括设置模块和展示模块。 其中，设置模块，被配置为调用模型库中模型信息，搭建通信设备操作环境；调用故障库中故障信息，配置实训操作环境中出现的故障信息，进行业务配置故障排查。展示模块，被配置为搭建通信设备拓扑环网，对通信设备模拟实训操作环境的光纤连接、2M 业务、 以太网业务、时钟和保护进行业务配置，并对已配置好的业务添加故障信息，查询故障告警信息，通过告警信息定位故障点。

2）VR 操作模块，被配置为读取配置操作模块配置的实训作业环境和故障信息，生成VR 操作环境，对机房巡视、板卡类、光纤类故障进行排查作业。

3）安全模块，被配置为系统运行、通信传输及系统拷贝提供安全防护。

4）通信模块，被配置为实现数据库建立模块、数据中心模块、 计算中心模块与故障排查作业实训平台之间通信连接， 将故障排查作业结果发送至客户端。

5）考核模块，被配置为通过预置故障类型和排除故障考核指标，对培训学员排除故障结果进行考核。

图2 故障排查作业实训平台的结构框图

3 电力通信传输故障排查作业实训方法

3.1 故障排查作业实训平台作业环境搭建

故障排查作业实训平台建立一个实训作业环境场景，对故障库中信息进行现场还原，模拟现场案例和典型故障处理，切实提高通信运维人员技能水平，满足未来智能电网对通信运维人员的技能需求如图3 所示。 故障排查作业实训平台对模拟实训操作环境进行编辑和调整的过程为：

图3 电力通信传输故障排查作业实训平台框图

1）建立模型库、算法库和故障库。

2）通过数据中心模块存储所配置的模型参数、搭建模拟环境的参数、 故障信息及故障排除过程参数信息。

3）故障排查作业实训平台调用数据库中模型，根据配置参数，搭建通信设备模拟实训操作环境，调用算法库中算法对模拟实训操作环境进行编辑和调整，将生成的环境信息和参数存储到数据中心模块；配置模拟实训操作环境中故障信息， 生成VR 操作环境，进行故障排查作业。

对模拟实训操作环境进行编辑和调整的步骤包括：

1）搭建机房环境。根据所模拟现场的实际环境，布置机柜、空调、工具箱等机房内环境和设备。

2）组建设备。 首先根据机架型号，组建设备网元，然后在设备网元的相应槽位上添加相应板卡。添加过程中调用算法库中的槽位验证算法， 检查板卡添加是否合理。

3）将设备添加到机柜中的确定位置。

4）设备光纤连接。根据现场网元的连接情况，进行设备之间的连纤， 将两个设备上线路板的光模块接口通过光纤连接。

5）调用算法库中的整机检查算法，检查实训环境搭建的合理性， 如果存在不合理的地方， 及时调整。

3.2 电力通信传输故障排查实训实现方法

计算中心模块调用算法库中组帧、数据解析、故障生成和故障排除算法， 以及数据中心模块中的数据传输模式和配置参数信息， 模拟通信设备底层数据传输模式，对通信设备传输的数据进行动态组帧，生成通信设备故障事件，对通信设备故障进行解析，排查通信故障。

4 结束语

电力通信传输故障排查作业实训系统建立模型库、算法库和故障库，通过数据中心存储配置参数，通过故障排查作业实训平台搭建一个仿真实训作业环境场景，通过模拟实际SDH 设备的通信数据传输方式，对传输的数据进行动态组帧，实现对通信设备故障的底层解析，将故障信息进行现场还原，模拟现场案例和典型故障处理， 方便培训人员从底层的数据传输数据帧对通信设备故障原理进行理解。 电力通信传输故障排查作业实训系统一方面节约了培训成本，减少对硬件真实设备的建设投入，另一方面切实提高通信运维作业人员实际操作水平， 扩大电力通信运维人员培训量， 打破硬件设备对故障排查作业培训的限制，更直接对通信故障进行分析排查，便于处理复杂故障作业前的模拟演练。